GIS 组合电器主回路直流电阻不稳定分析

闫成颂，冉一丁，张 宇

（山东送变电工程有限公司，山东 济南 250017）

0 引言

电力系统GIS 组合电器一次设备要流过大电流，而一次设备本身、设备连接处、设备导体使用材质、环境及安装工艺均有可能造成一次设备主回路阻值不稳定，导致一次设备发热量超出规定值，从而危及或损坏一次设备。

某500 kV 变电站220 kV 侧GIS 一次设备安装过程中，GIS 主回路直流电阻第一次测量结果接近理论值，充入SF6气体后，进行额定气压下的主回路直流电阻测量，测量方案为大区段测量，即从一个间隔套管到另一个间隔套管［1-2］。此时主回路直流电阻值普遍变大，操作断路器或给筒体以敲击振动，电阻值下降，静置后电阻值回升。主回路直流电阻有明显不稳定现象。

针对此直流电阻不稳定现象，从充气、导体重力等装配因素与温度、膜电阻影响等方面分析其对主回路直流电阻影响并通过大电流试验验证。通过分析，阐述组合电器主回路直流电阻不稳定的可能原因及规避方法，对组合电器安全运行具有指导意义。

1 主回路直流电阻不稳定原因分析

螺旋弹簧触头结构如图1 所示，主要由导体、支撑环、螺旋弹簧触头、屏蔽罩和触头座5 个元件组成。

弹簧触头由于其结构简单，广泛用于GIS，在排除导体装配不良、触头接触不良因素后，大部分主回路直流电阻值复测合格，但仍有部分区段的主回路直流电阻值在经过一段时间放置后，其复测阻值出现不合格现象，对此，从4 个方面进行分析。

图1 螺旋弹簧触头结构

1.1 充气

对同一主回路区段及相同环境，在额定气压和0.42 MPa 压力下，分别连续6 天测量不同充气压力下主回路直流电阻，测量结果如表1～2 所示。

表1 额定气压下同一主回路区段直流电阻测量值 μΩ

表2 0.42 MPa 气压下同一主回路区段直流电阻测量值 μΩ

由表1～2 可知：在额定气压或0.42 MPa 气体压力下，同一区段的主回路直流电阻值变化范围小于5%，在合格范围内。因此，充气与主回路直流电阻的变化没有明显的关系。

1.2 导体重力等装配因素对主回路直流电阻的影响

图2 为主回路导体实物和一端施加重物至导体倾斜，测量发现，主回路直流电阻变化较小。

图2 导体装配试验形态

主回路直流电阻受主回路导体、机构等接触形式、接触面积、接触压力等方面的影响［3］，而这些因素直接受制于装配情况，因此研究了装配情况对电阻的影响。对导体不对中情况进行电阻研究，试验电流取100 A，试验形态如图3 所示，测量了试验区段主回路ab 左侧直流电阻值、右侧直流电阻值和试验区段主回路ad 左侧直流电阻值、右侧直流电阻值。试验区段主回路直流电阻测量结果如表3 所示，试验结果变化曲线如图4 所示。

图3 对中研究试验

表3 试验区段主回路直流电阻测量值

图4 导体不对中试验电阻变化值

经上述试验分析可知：导体在上下偏移距离12 mm的变化区间内，导体触头测量的直流电阻变化小于5%。因此，重力对中等因素不能使主回路电阻发生显著变化。

1.3 温度对主回路直流电阻的影响

GIS 在阳光照射或导体通大电流时，导体温度升高，弹簧触头材料的电阻率［4］随之增大，该变化是否会影响弹簧触头的接触电阻。为此，将一组主回路导体长期放置在恒温加热设备中，研究直流电阻变化规律。试验形态如图5 所示，额定气压下15 ℃、25 ℃、35 ℃、45 ℃恒温炉内主回路导体直流电阻值测试结果如表4 所示。

图5 恒温加热炉内每天测量电阻值变化

表4 额定气压下恒温炉内主回路导体测试值

数据对比发现：环境温度变化30 ℃内主回路直流电阻数据未发生较大变化均在合理范围内。因此，温度不是弹簧触头接触电阻发生不稳定现象的原因。

1.4 膜电阻对主回路直流电阻的影响

膜电阻指的是设备静置状态下，在气体、润滑脂及不同接触材料的作用下会在接触面形成一个膜，该膜对穿过它的电流所呈现的电阻。

膜电阻形成因素。为提高主回路导电能力，减少导体与弹簧触头摩擦，一般在GIS 设备弹簧触头与导体接触处涂抹牌号为VP980 润滑脂，VP980 在气体微量成分、镀银层及不同接触物质的作用下会在接触面形成一个膜电阻。膜电阻的厚度取决于接触力的大小和表面硬度。

润滑脂的影响。为研究润滑脂对主回路直流电阻的影响，搭建了如下形态，一段长度为3 m 的导体（注：为防止银层硫化变色在镀银后涂覆了防银变色剂），导体的一端镀银面外涂覆润滑脂，另一端不涂覆润滑脂，观测润滑脂对电阻的影响。由于导体处于支撑状态，且触头自身重力影响可忽略不计，因此可以消除重力、弹簧等因素影响。图6 为膜电阻试验形态。

图6 膜电阻试验形态

图7 导体不同涂覆状态下电阻值随时间的变化

图7 为观测31 h 的电阻变化情况，由此可知，涂抹润滑脂的导体一端电阻增加的趋势明显，约1 倍；未涂抹润滑脂的一端电阻基本稳定，振动后两端电阻值基本一致。该试验证明了膜电阻的存在，接触面上的银、防银变色剂、润滑脂等物质中的微量元素，以及操作者在涂抹润滑脂时带入的微量汗液、油脂等物质，这些元素和物质共同在接触面形成了膜电阻。

通电流对膜电阻的影响。对图6 所示形态进行通电流试验，研究电流对膜电阻的影响，分别对不同电流按时间段通1 000～4 000 A 电流，主回路直流电阻测量结果如图8 所示，由图可知通流后涂敷端主回路直流电阻值明显下降，下降值达到70%左右，且随通流时间延长，主回路直流电阻值趋于稳定，基本恢复到原值，未涂端电阻均无明显变化。

图8 通流后电阻变化

分析以上试验结果可知：润滑脂、防银氧化剂及不同接触材料的作用下会在接触面形成膜电阻，且随静置时间延长，膜电阻阻值增大；在防银氧化剂存在的前提下，涂抹润滑脂的导体一端膜电阻增加的趋势明显；通流或振动会使膜电阻的大小发生变化。

2 全形态试验验证

2.1 全形态常温试验

为进一步验证膜电阻对电接触部位温升及产品通流能力的影响，在现场装配两个完整进出线间隔（内部导体为防止银层硫化变色在镀银后涂覆了防银变色剂），静置测量。试验间隔形态如图9 所示。

对主母线直流电阻各个部位进行直流电阻测量监控，图10 为主母线各个测量埋点位置。

图9 全形态常温试验间隔形态

图10 全形态常温主回路直流电阻测量埋点

图10 中，A 相主回路1A～2A 区段直流电阻计算值为82 μΩ，B 相主回路1B～2B 区段直流电阻计算值为84 μΩ，C 相主回路1C～2C 区段直流电阻计算值为82 μΩ。通过对1 号母线，2 号母线的主回路直流电阻监测，得出2 号母线主回路直流电阻变化情况如图11 所示。由图11 可知，A 相直流电阻变化较为明显，累计最大值为116.5 μΩ。对A 相直流电阻分区间测量，发现A8～A9 区间变化较大，最大值为29.37 μΩ。图12 为A8～A9 电阻变化情况。

通过观察统计常温下252 kV GIS 三相共箱主母线路电阻值增大，由于膜电阻影响三相中任一相的电阻值大于理论值的20%（理论值为出厂管理制值：55 μΩ），A8～A9 区段的电阻值超出了理论值（5 μΩ）5 倍以上。

图11 2 号母线三相总电阻累计变化情况

图12 2 号母线A8～A9 电阻变化情况

2.2 全形态温升试验

对252 kV GIS 三相共箱主母线进行了2 000 A和4 000 A 的大电流温升试验［5-6］，全形态升温试验埋点布置同全形态常温试验埋点布置。温升试验前、后测量各相主回路的直流电阻值，其中包括A 相A8～A9 区段的主回路直流电阻值，温升试验电流按2 000 A 和4 000 A 分别进行。其中，先进行2 000 A温升试验，后进行4 000 A 温升试验。图13 为温升试验接线方式。

图13 温升试验接线方式

表5、表6 分别为2 000 A、4 000 A 主回路各通道温升测量值（1 h 内温升变化值小于1 k）。

根据温升试验数据可知，2 000 A 时GIS 主母线最大温升为20.85 K，A8 点温升值为15.64 K，A9 点温升值为17.66 K；4 000 A 时GIS 主母线最大温升为68.27 K，A8 点温升值为51.37 K，A9 点温升值为56.85 K，均小于导体要求的温升75 K。

试验结束后A 相主回路直流电阻值为76.9 μΩ，B 相主回路直流电阻值为79.4 μΩ，C 相主回路直流电阻值为82.6 μΩ，A8～A9 测量区段的主回路直流电阻值为3.8 μΩ，所有电阻均接近理论值。

表5 2 000 A 试验电流下主回路各通道温升值 K

表6 4 000 A 试验电流下主回路各通道温升值 K

设备静置状态下，在气体、润滑脂、防银氧化剂及不同接触材料的作用下会在接触面形成一个膜电阻，这种膜电阻的形成机理目前尚不能解释清楚，但是这种现象却存在。根据试验过程跟踪，发现一个接触点的主回路直流电阻值即可升高25 μΩ，在现场的测量区间内接触面最多可达90 多个，因而现场的电阻计算值从500 μΩ 升高到1 000 μΩ，即多个接触面形成的膜电阻累加造成。

3 结语

GIS 组合电器主回路直流电阻不稳定由其接触面产生的膜电阻引起，静置一段时间后GIS 产品在安装完成后形成的膜电阻虽然不能通过振动的方式消除，但在通过大电流时会被电流击穿达到电阻稳定。通流后温升合格，接触电阻明显降低，满足标准要求。这种现象对GIS 产品的通流能力没有影响，不影响设备安全运行。